CN202605144U - 一种基于fpga的智能轮椅 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种基于FPGA的智能轮椅，包括轮椅架和安装于轮椅架上的车轮、驱动器组、直流电机组、操纵杆，车轮采用全向轮；驱动器组与直流电机组相连接，直流电机组由与车轮数量相同的直流电机组成，驱动器组由与车轮数量相同的驱动器组成；驱动器组中的一个驱动器驱动直流电机组中的一台直流电机；直流电机组中的一台直流电机驱动一个车轮；驱动器组中的各驱动器分别与FPGA芯片相连接，FPGA芯片还分别与VGA显示器、视频解码芯片和供电模块相连接，视频解码芯片与全景摄像头相连接，供电模块与电池相连接。本智能轮椅能观察周围360°视场，方便了解环境情况，并能向任意方向移动，及时避开障碍和危险。

Description

一种基于 FPGA 的智能轮椅

技术领域

本实用新型属于康复辅具制造技术领域，涉及一种肢体伤残者的代步轮椅，具体涉及一种能自动提供周围360°环境信息并且不需要转弯而向任意方向自由移动的基于FPGA的智能轮椅。

背景技术

传统轮椅一般由轮椅架、车轮、刹车装置及座靠组成，按其功能可以分为一般轮椅、特制轮椅、电动轮椅和代步车等。

传统结构的轮椅只可以直接实现前后纵向运动，当横向移动或者移动方向与现在轮子的方向不在同一直线上时，就需要拐弯。这对于残疾人士，尤其是比赛场上的残疾运动员来说，移动不够灵活。再者，传统的轮椅无法向使用者提供周围环境的信息，不能使使用者及时避开危险和障碍物。

实用新型内容

为了克服上述现有技术中存在的问题，本实用新型的目的是提供一种基于FPGA的智能轮椅，无需拐弯就能直接向任意方向移动，并能向使用者提供周围环境信息，避免发生事故。

为实现上述目的，本实用新型所采用的技术方案是：一种基于FPGA的智能轮椅，包括轮椅架，轮椅架上安装有车轮、驱动器组、直流电机组和操纵杆，车轮采用全向轮；驱动器组与直流电机组相连接，直流电机组由与车轮数量相同的直流电机组成，驱动器组由与车轮数量相同的驱动器组成；驱动器组中的一个驱动器驱动直流电机组中的一台直流电机；直流电机组中的一台直流电机驱动一个车轮；驱动器组中的各驱动器分别与FPGA芯片相连接，FPGA芯片还分别与VGA显示器、视频解码芯片和供电模块相连接，视频解码芯片与全景摄像头相连接，供电模块与电池相连接。

所述的FPGA芯片包括依次相连接的ITU656解码模块、SDRAM控制器、插值模块、色度空间转换模块、图像展开算法模块、速度矢量分量模块和RS232收发模块；图像展开算法模块还分别与内嵌RAM模块和VGA控制器相连接；速度矢量分量模块分别与增量PID算法模块和多个编码信号采集模块相连接；该多个编码信号采集模块分别与增量PID算法模块相连接；该多个编码信号采集模块的数量与直流电机的数量相同；增量PID算法模块与速度转化为占空比模块相连；速度转化为占空比模块与输出PWM波模块相连接；该FPGA芯片还包括信号锁定模块和I2C控制器模块，信号锁定模块与复位延迟模块相连；

ITU656解码模块、信号锁定模块和I2C控制器模块分别与视频解码芯片相连接；SDRAM控制器与SDRAM存储器相连；VGA控制器分别与VGA控制芯片和VGA显示器相连接，VGA控制芯片与VGA显示器相连接；RS232收发模块与串行通信接口相连接；速度矢量分量模块与操纵杆信号连接；各编码信号采集模块分别与各直流电机上的电机编码器信号连接；输出PWM波模块分别与所有的电机驱动器连接。

所述的ITU656解码模块用于将采集进来的视频数据解码，PAL制式的模拟信号经过视频解码芯片得到8位的4:2:2 视频数据流，解码模块将4:2:2 的数据流解码成ITU656 标准视频流。

本智能轮椅采用全景摄像头，为使用者提供周围环境360°视场的实时信息；采用单片FPGA芯片作为控制器，完成轮椅的底层运动控制和周围环境的采集；采用全向轮，不需要转弯即可向任意方向自由移动，移动灵活，能在第一时间避开危险和障碍物，避免发生事故，保证使用者的人身安全。

附图说明

图1是本实用新型智能轮椅的结构示意图。

图2是本实用新型智能轮椅中FPGA芯片的结构示意图。

图3是待解码的视频数据流图。

图4是一帧图像的帧数据流图。

图5是本实用新型智能轮椅全方位移动的运动学模型。

图6是运动控制框图。

图7是增量式PID实现框图。

图1和图2中：1.电池，2.电量检测模块，3.供电模块，4.FPGA芯片，5.VGA显示器，6.驱动器组，7.直流电机组，8.轮椅架，9.坐垫，10.靠背，11.操纵杆，12.第一驱动器，13.第二驱动器，14.第三驱动器，15.第一直流电机，16.第二直流电机，17.第三直流电机，18.视频解码芯片，19.全景摄像头，20.ITU656解码模块，21.信号锁定模块，22.复位延迟模块，23.SDRAM存储器，24.SDRAM控制器，25.插值模块，26.色度空间转换模块，27.图像展开算法模块，28.VGA控制器，29.I2C控制器模块，30.VGA控制芯片，31.R S232收发模块，32.串行通信接口，33.输出PWM波模块，34.速度转化为占空比模块，35.增量PID算法模块，36.速度矢量分量模块，37.第三编码信号采集模块，38.第二编码信号采集模块，39.第一编码信号采集模块，40.第三电机编码器，41.第二电机编码器，42.第一电机编码器，43.内嵌RAM模块。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进行详细说明。

如图1所示，本实用新型智能轮椅的结构，包括轮椅架8，轮椅架8上安装有驱动器组6、直流电机组7、坐垫9、靠背10、操纵杆11和三个车轮，该三个车轮采用全向轮；直流电机组7与驱动器组6相连接，直流电机组7由第一直流电机15、第二直流电机16和第三直流电机17组成，驱动器组6由第一驱动器12、第二驱动器13和第三驱动器14组成；驱动器组6中的一个驱动器驱动直流电机组7中的一台直流电机；直流电机组7中的一台直流电机驱动一个车轮。驱动器组6中的三个驱动器分别与FPGA芯片4相连接，FPGA芯片4还分别与VGA显示器5、视频解码芯片18和供电模块3相连接，视频解码芯片18与全景摄像头19相连接，供电模块3通过电量检测模块2由与电池1相连接。

本实用新型智能轮椅中FPGA芯片4的结构，如图2所示，包括依次相连接的ITU656解码模块20、SDRAM控制器24、插值模块25、色度空间转换模块26、图像展开算法模块27、速度矢量分量模块36和RS232收发模块31；图像展开算法模块27还分别与内嵌RAM模块43和VGA控制器28相连接；速度矢量分量模块36分别与第一编码信号采集模块39、第二编码信号采集模块38、第一编码信号采集模块37和增量PID算法模块35相连接；第一编码信号采集模块39、第二编码信号采集模块38和第一编码信号采集模块37分别与增量PID算法模块35相连接；增量PID算法模块35与速度转化为占空比模块34相连；速度转化为占空比模块34与输出PWM波模块33相连接；该FPGA芯片4还包括信号锁定模块21和I2C控制器模块29，信号锁定模块21与复位延迟模块22相连。

ITU656解码模块20、信号锁定模块21和I2C控制器模块29分别与视频解码芯片18相连接；SDRAM控制器24与SDRAM存储器23相连；VGA控制器28分别与VGA控制芯片30和VGA显示器5相连接，VGA控制芯片30与VGA显示器5相连接；RS232收发模块31与串行通信接口32相连接；速度矢量分量模块36与操纵杆11信号连接；第一编码信号采集模块39与第一直流电机15上的第一电机编码器42信号连接；第二编码信号采集模块38与第二直流电机16上的第二电机编码器41信号连接；第三编码信号采集模块37与第三直流电机17上的第三电机编码器40信号连接；输出PWM波模块33分别与第一电机驱动器12、第二电机驱动器13和第三电机驱动器14信号连接。

全景摄像头19、视频解码芯片18、ITU656解码模块20、SDRAM控制器24、SDRAM存储器23、插值模块25、色度空间转换模块26、图像展开算法模块27、VGA控制器28、VGA显示器5、VGA控制芯片30、信号锁定模块21、I2C控制器模块29、复位延迟模块22和内嵌RAM模块43构成了本智能轮椅的图像处理模块。操纵杆11、三个电机编码器、速度矢量分量模块36、三个编码信号采集模块、增量PID算法模块35、速度转化为占空比模块34、输出PWM波模块33、RS232收发模块31、串行通信接口32、三台电机驱动器和电量检测模块2构成了本智能轮椅的运动控制模块。

全景摄像头19支持PAL制式的模拟信号，可以同时采集周围360度的信息，它与视频解码芯片18、I2C控制器模块29和ITU656解码模块20相连。

I2C控制器模块29用于驱动视频解码芯片18采集全景图像。I2C总线用来配置视频解码芯片18，写入各寄存器的值，使芯片能够完成特定的功能；各寄存器值通过I2C控制器写入，由于I2C总线只用来写寄存器，因此编写的I2C控制器只需要实现写数据的功能即可，并不需要写一个完整的I2C控制器。I2C控制器每次传输24位数据，前8位是从设备地址，接下来8位是它的寄存器地址，最后8位是数据，I2C控制器使用33个I2C时钟周期完成1次24位数据传输。第1个时钟周期初始化控制器，第2和第3个时钟周期启动传输，第4～30个时钟周期传输数据（其中包含24位数据和3个确认字符（ACK ）），最后3个周期停止传输。控制器中使用了一个6位计数器对传输周期计数。

ITU656解码模块29，用于将采集到的视频数据解码。PAL制式的模拟信号经过视频解码芯片18得到8位的4:2:2 视频数据流，ITU656解码模块29将4:2:2 的数据流解码成ITU656 标准视频流。视频数据是以27khz/s传送的如图3所示，其顺序Cb Y Cr Y Cb Y Cr Y Cb Y Cr……,其中Cb Y Cr是同址的亮度和色差信号取样，每行开始的288字节为行控制信号，开始的4字节为EAV 信号(有效视频结束)，紧接着280个固定填充数据，最后是4 字节的SAV信号(有效视频起始)。EAV信号和SAV信号有3字节的前导：FF、00、00。最后1 字节XY 表示该行位于整个数据帧的位置及如何区分SAV、EAV，例如当第四位为0时，表示有效视频数据传输开始；当第五位为0时，表示此行为有效数据（非消隐数据）；当第六位为一帧信号检测位。图4为一帧图像的数据结构，PAL制式的视频信号的场消隐一共是49行，其中偶数场和奇数场的消隐期分别为24行和25行, 624～22为偶数场消隐数，311～335为奇数场消隐数据。H、V、F为行控制信号。本智能轮椅中通过设计一个4 位行计数器来实现，在每个HS 信号的上升沿对VS 信号进行计数，当计数器的值大于或等于24 的时候，就可以稳定的输出有效视频数据。

SDRAM控制器24，用来缓存采集的图像数据，SDRAM控制器24设置为4 端口模式，两个端口用于将FIFO 中的数据写入SDRAM，两个读端口用于将数据从SDRAM读出到FIFO中。读和写所采用的时钟频率是不同的，写入时是用视频解码芯片18的27MHz 时钟，而读出则采用VGA显示器5用的25MHz时钟。PAL制式图像是采用隔行扫描的方式，将一帧图像分两场扫描。第一场先扫出1、3、5、7⋯等奇数行，第二场扫2、4、6、8⋯等偶数行。而VGA 采用的是逐行扫描的方式，将数据逐行的显示在显示器上。利用对SDRAM 的读写地址的控制能够很巧妙的解决隔行到逐行的转换问题，数据写入SDRAM是将隔行数据写入到SDRAM 的0-640×576 的地址空间中，其中640×24-640×264为奇数场的240行有效数据，640×312-640×552为偶数场的240行有效数据。两场数据分别通过不同的两个FIFO读出，VGA显示的时候，用VGA的行计数器控制的读取两个FIFO 中的数据，这样读出的数据即为1、2、3、4⋯等逐行数据。

插值模块25将4 2

2的数据流转化为444。ITU656解码模块20解码后得到的是8 位的4

2

2 数据流，色度信号Cr和Cb的采样率是亮度信号的Y的一半，这样色度信号每行的像素数将减少一半，但每帧的行数是一样的，意味着每四个Y采样点对应两个Cb采样点和Cr采样点。由于每一像素点是由Y、Cb、Cr表示的，插值将4

2

2的数据流转化为4

4

4。

色度空间转换模块26统一输出YCbCr信号，需要进行RGB信号的转换,用于CRT显示。YCbCr到RGB按照下面公式进行转换：

R=1.164(Y-16)+1.596(Cr-128)

G=1.164(Y-16)-0.813(Cr-128)-0.392(Cb-128)

B=1.164(Y-16)+2.017(Cb-128)

由于全景摄像头19采集的是一幅畸变的图像，它包含了周围一圈的信息，需通过图像展开算法模块28将该畸变的图像展开为前后左右四幅图像，使用者可以通过操纵杆11控制，在VGA显示器5上显示出所需的信息。

VGA显示器5用于接收VGA控制器28产生的时序控制信号和视频芯片产生的R、G、B三个颜色分量的模拟信号显示。

第一编码信号采集模块39、第二编码信号采集模块38和第三编码信号采集模块37，其中每个编码信号采集模块输入是两路相位相差90°的正交方波脉冲，每个脉冲代表被测对象旋转了一定的角度，它们之间的相位关系则反映了被测对象的旋转方向，在FPGA中设计四倍频和鉴向电路，本FPGA芯片4中采用两路输出：一路输出方向，一路输出脉冲。

本智能轮椅全方位移动的运动学模型，如图5所示，由图可知：机器人坐标系下的速度到三个车轮速度之间的关系如下：

知道了机器人在平面世界坐标系中的速度要求后，便可以得到主动轮的速度要求，进而对电机发出相应的控制信号。根据操纵杆11的信息得到相关的机器人坐标系下的速度后，速度矢量分解模块36将机器人坐标系下的速度值转化成机器人三个全向轮子的角速度，并将得到的角速度值计算出相应的占空比，生成相应占空比的PWM波形，输出信号接到直流伺服电机驱动器，然后通过FPGA采集正交编码盘信号，计算出轮子实际的角速度值，做PID速度闭环控制。鉴于FPGA模块复制的优势，本实用新型对每个全向轮分别作了PID闭环控制，如图6所示。

为了对三轮全方位移动机器人进行精确的控制，本智能轮椅采用PID速度闭环控制算法对机器人的三个全向轮进行速度调节。因此，增量PID算法模块35中令采样周期为T_S ，将连续PID公式离散化后可得到数字PID算法表达式：

于是产生了增量式PID算法：

上述公式为增量式PID控制算法。只输出控制增量，误动作影响较小，且控制增量只与最近几次的采样值有关，容易通过加权处理获得比较好的控制效果。根据以上公式推导，结合FPGA的工作特点，本智能轮椅适合FPGA的增量式PID实现结构，如图7所示。

RS232收发模块31通过上位机串口发送控制命令测试底层运动控制。

由于本智能轮椅采用的是电动驱动，电量检测模块2用来实时观测电源的电量。电量检测的原理是，通过检测电池输出电压来判断电池电量，电压越高电量越多，反之则电量越少。

本智能轮椅采用全向轮为车轮，所以在不需要转弯的状态下就可以轻松地实现横向运动。这对残疾人士，尤其是比赛场得残疾运动员来说，移动灵活方便了许多。在轮椅上安装全景摄像头19有助于采集轮椅周边的一圈环境状况，然后将全景图像进行解码、滤波、插值、全景展开等一系列的处理，再通过VGA显示器5予以显示，使乘坐者在第一时间内了解自己身体周围的信息。当危险或者需要向某个方向移动时，乘坐者可以根据VGA显示器5上显示的信息作出判断，选择避开危险的方向，及时了解在移动中需要避开的障碍物。将全景摄像头、全向轮应用在电动轮椅系统中，能同时观察周围360度视场和不需要转弯向任意方向自由移动。并且采用单片FPGA芯片作为核心控制器，完成轮椅的底层运动控制和周围环境的采集。

本智能轮椅的乘坐者可以通过操纵杆11控制轮椅向任意方向自由运动，同时VGA显示器5可以显示轮椅运动方向的信息。克服了传统结构轮椅只能前后纵向运动，而不能横向运动的问题，并且轮椅在向任意方向运动过程中，VGA显示器5可以显示周围360度的信息。

Claims (6)

1.一种基于FPGA的智能轮椅，包括轮椅架（8）和安装于轮椅架（8）上的车轮，其特征在于，轮椅架（8）上还安装有驱动器组（6）、直流电机组（7）和操纵杆（11），车轮采用全向轮；驱动器组（6）与直流电机组（7）相连接，直流电机组（7）由与车轮数量相同的直流电机组成，驱动器组（6）由与车轮数量相同的驱动器组成；驱动器组（6）中的一个驱动器驱动直流电机组（7）中的一台直流电机；直流电机组（7）中的一台直流电机驱动一个车轮；驱动器组（6）中的各驱动器分别与FPGA芯片（4）相连接，FPGA芯片（4）还分别与VGA显示器（5）、视频解码芯片（18）和供电模块（3）相连接，视频解码芯片（18）与全景摄像头（19）相连接，供电模块（3）与电池（1）相连接。

2.如权利要求1所述的基于FPGA的智能轮椅，其特征在于，所述的FPGA芯片（4）包括依次相连接的ITU656解码模块（20）、SDRAM控制器（24）、插值模块（25）、色度空间转换模块（26）、图像展开算法模块（27）、速度矢量分量模块（36）和RS232收发模块（31）；图像展开算法模块（27）还分别与内嵌RAM模块（43）和VGA控制器（28）相连接；速度矢量分量模块（36）分别与增量PID算法模块（35）和多个编码信号采集模块相连接；该多个编码信号采集模块分别与增量PID算法模块（35）相连接；该多个编码信号采集模块的数量与直流电机的数量相同；增量PID算法模块（35）与速度转化为占空比模块（34）相连；速度转化为占空比模块（34）与输出PWM波模块（33）相连接；该FPGA芯片（4）还包括信号锁定模块（21）和I2C控制器模块（29），信号锁定模块（21）与复位延迟模块（22）相连；

ITU656解码模块（20）、信号锁定模块（21）和I2C控制器模块（29）分别与视频解码芯片（18）相连接；SDRAM控制器（24）与SDRAM存储器（23）相连；VGA控制器（28）分别与VGA控制芯片（30）和VGA显示器（5）相连接，VGA控制芯片（30）与VGA显示器（5）相连接；RS232收发模块（31）与串行通信接口（32）相连接；速度矢量分量模块（36）与操纵杆（11）信号连接；各编码信号采集模块分别与各直流电机上的电机编码器信号连接；输出PWM波模块（33）分别与所有的电机驱动器连接。

3.如权利要求2所述的基于FPGA的智能轮椅，其特征在于，所述的ITU656解码模块（20）用于将采集进来的视频数据解码，PAL制式的模拟信号经过视频解码芯片得到8位的4:2:2 视频数据流，解码模块将4:2:2 的数据流解码成ITU656 标准视频流。

4.如权利要求2所述的一种基于FPGA的智能轮椅系统，其特征在于，所述的串行通信接口（32）采用RS232串行通信接口。

5.如权利要求1或2所述的基于FPGA的智能轮椅，其特征在于，所述的供电模块（3）通过电量检测模块（2）与电池（1）相连接。

6.如权利要求1所述的一种基于FPGA的智能轮椅，其特征在于，所述的全景摄像头（19）用于环视周围360度的信息并且由I2C总线的配置模块驱动视频解码芯片采集全景图像。

Images